紫外熒光探測水面溢油實驗研究

摘 要：文章介紹了目前水面溢油探測的五種方法及其不同的優(yōu)勢與特點。主要從激發(fā)光源和探測望遠鏡的遮光結構方面討論了溢油探測系統(tǒng)的構建方法。搭建了實驗系統(tǒng)，采用365nm的紫外光源激發(fā)熒光，在暗室及實驗室環(huán)境下分別探測了汽油、食用油、機油三種油類的熒光強度，歸一化處理得到了熒光與探測電壓值的關系，區(qū)分了油膜種類。分別探測了不同厚度的三種油膜熒光電壓變化值，實驗表明隨著油膜厚度的不斷增加，熒光光強呈線性變化，并給出了熒光強度變化的解釋。

關鍵詞：溢油探測；紫外熒光；溢油厚度；背景光屏蔽

引言

我國是一個河流眾多的國家，如果把我國的天然河流連接起來，總長度可達43萬公里。然而在這樣豐富的水資源背景下，不容忽視的是由于各種原因所帶來的河流污染，惡意的偷排漏排，油品存儲與運輸中的泄漏，都危害著水資源的安全，特別是飲用水源的安全。油污染事故危害時間長，影響范圍廣，給沿岸生產(chǎn)、生活帶來巨大的經(jīng)濟損失，也給河流及海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，生態(tài)恢復困難。及時發(fā)現(xiàn)溢油的存在并預警對水資源的保護具有重要的意義。

1 水面溢油探測方法

從探測方法的角度討論，目前可用于溢油探測的方法有5類，分別為：（1）被動紅外遙感；（2）被動紫外遙感；（3）微波輻射遙感；（4）機載雷達遙感；（5）紫外熒光遙感[1]。

被動探測方法的特點是操作簡單，但是虛警率較高，并且易受氣候影響，提供的油膜信息較少，目前主動遙感分為兩大類，雷達遙感與紫外熒光遙感，前者主要用于大面積海域的溢油檢測，載具通常為飛機，造價昂貴但覆蓋面積廣，分辨能力強。紫外熒光遙感主要特點是體積小，成本低，適用于定點監(jiān)測，測量精度可達微米級厚度的油膜（0.3μm），并且可以探測海岸線以及冰面上的油膜。

2 激發(fā)光源的選擇

從激發(fā)光源的角度討論，目前常用的激發(fā)光源有以下三種。

目前實驗室中常用的激發(fā)光源為激光光源，因為光源無需濾波，準直擴束后即可發(fā)射到溢油表面，激發(fā)熒光的量子效率較高，相應的獲得的熒光光譜也相對準確，如果利用光譜特性來分析區(qū)別油膜的種類，該光源更適用于這樣的定性實驗。

氙氣燈是目前較為成熟的工作光源（例如InterOcean 公司研發(fā)的SS300 溢油探測系統(tǒng)），工作時需要保持35v的穩(wěn)定工作電壓，而觸發(fā)電壓則需要瞬間到達35kv。由于這種光源光強度高，相應的激發(fā)熒光的強度也較高，在利用200nm-300nm的紫外光源照射柴油及潤滑油時，可得到熒光發(fā)射光譜，熒光波段主要集中在400nm-600nm[4]。

由于氙氣燈的發(fā)光光譜全覆蓋可見光波段且在熒光波段也有很強的發(fā)射光譜，故其在溢油表面的反射光也形成了一種背景光干擾，使用該光源時對背景光的屏蔽要求很高。

LED是一種新型光源，其特點是光強穩(wěn)定性高，啟動電壓為0.7v 耗能低，噪聲小，目前作為一種新型光源正用于實驗當中，隨著LED功率的不斷提高，光強增大，其優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，LED將替代傳統(tǒng)氙氣燈，作為激發(fā)光源使用。

3 望眼鏡系統(tǒng)的背景光屏蔽

從屏蔽背景光的角度討論，由于背景光在整個探測過程中始終存在，并且強度隨日光的改變而變化，同時光電探測器本身的暗電流與散粒噪聲也對實驗的結果造成一定的影響，所以背景光的屏蔽可分為兩部分，（1）反射式望遠鏡遮光結構的設計。（2）光電信號的采集與處理。常見的反射式望眼鏡有牛頓系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)、格雷戈里系統(tǒng)等，采用反射式望遠鏡的優(yōu)勢在于其主鏡與副鏡的焦距相互重疊，使得鏡筒的長度縮短，實驗中我們采用卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)，其便于垂直水面觀測目標區(qū)域，望遠鏡系統(tǒng)遮光結構分為三大部分[5]，其屏蔽作用歸納如表3。

穩(wěn)壓電路及信號采集電路的設計是屏蔽背景信號的關鍵，首先應設計穩(wěn)壓電源，為光電探測器、集成運放等元件提供穩(wěn)定的工作電壓。其次在探測系統(tǒng)中外加反向偏壓的PIN光電二極管將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為光電流，其中包括直流光電流和交流光電流，分別通過電感與電容傳輸，在取樣電阻上呈現(xiàn)電壓差，直流分量隨入射光強度變化而變化，反應入射光強度的大小，噪聲光電流通過電容傳輸，從而達到降低噪聲的目的。

4 紫外熒光探測溢油實驗

實驗采用波長為365nm的LED紫外光源作為激發(fā)光源，對光源進行濾光，紫外光垂直照射在油膜表面，在暗室環(huán)境下分別探測，機油、汽油、食用油的熒光強度，對照組為純水，如圖1。

由于探測器及激發(fā)光源放置高度與位置的不同，會導致數(shù)據(jù)的整體變化。在實驗中為了保證激發(fā)強度以及探測效率，設定探測器與光源等高平行，互不遮擋。

由于探測器距離油面垂直距離越遠，探測光強越弱，實驗選定探測器距離油膜5cm作為探測高度進行實驗，如圖2所示，在探測器中，光強的變化可以直接反應為光電流的大小，而電流通過取樣電阻產(chǎn)生電壓差值，通過讀取取樣電阻兩端的電壓值則可以判斷光強的大小，光強與電壓值成正比[6]。實驗中，探測純水的電壓值為激發(fā)光在水面反射后的光強。

在實驗室環(huán)境下，即有背景光的條件下，不改變其他測量條件，再次探測不同油類的電壓值。如圖3所示，此時探測純水的電壓值為0.0087v，其中包括背景光與激發(fā)光源的反射光。此時背景光的電壓值為0.0040v，而通過照度計探測到背景光的強度為45.6lx。由此可見，通過改變?nèi)与娮璧闹导纯墒固綔y電壓值與光強近似相等[7-8]。

通過反復實驗，對比實驗數(shù)據(jù)可以得出如下結論。

（1）探測器與光源位置的變化將整體改變實驗數(shù)據(jù)。

（2）在實際環(huán)境中探測到的熒光光強近似等于背景光強度與無背景光條件下熒光強度之和。

（3）在無背景光條件下，通過反復測試油膜（約0.02mm）的熒光強度，可以歸納化簡出以下關系式，設純水的反射光強度為1，則不同油類的熒光強度有以下取值關系范圍。

（4）在有背景光條件下，設探測到的純水電壓值為v1，油類的電壓值v2，為歸一化強度S，則不同探測高度下歸一化公式應該為

（5）通過設定相應的取值范圍則可以區(qū)分不同種類的油膜。

不同油膜厚度的熒光強度實驗，以厚度為0.02mm的油膜作為測量起始點，使用滴管依次添加油品，直到油膜厚度達到0.3mm，記錄該探測過程中的電壓值如圖4，圖5。

通過以上數(shù)據(jù)分析可得：（1）探測純水的電壓值基本保持不變，這是由于光源的強度始終保持不變。（2）隨著油膜厚度的增加，機油與食用油的熒光強度逐漸減弱，這是因為油膜厚度增加時，較底層油膜發(fā)出的熒光被上層油膜再次吸收，而光源強度不變這就使得量子效率反而降低。（3）汽油與其他油類相反，這是由于汽油中的飽和烴類物質(zhì)有助于激發(fā)熒光。

5 結束語

熒光探測法是目前綜合性能最優(yōu)的一種探測方法，其不但具有區(qū)分油膜與非油膜的特點，這種技術還可以探測出油膜的種類，通過探測到的電壓值，改變光電探測器的取樣電阻大小，即可將光強與電壓數(shù)值對應起來，根據(jù)不同的電壓值區(qū)間即可辨別油膜的種類，同時也可實時監(jiān)測溢油厚度的變化，可探測到微米級別厚度的油膜。該方法適應多種極端天氣環(huán)境，也是唯一一種適用于冰面以及雪地條件下的探測技術。可預見水面油污染預警系統(tǒng)未來將向遠程無人探測、小型化、便捷化、低成本、網(wǎng)絡化、以及多油種識別的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]李四海.海上溢油遙感探測技術及其應用進展[J].遙感信息，2004， 2（2）：53-57.

[2]Mervin.F.Fingas， Carl E.Brown，Review of oil spill remote sensing[J]. Spill Science Technology Bulletin，1997， 4（4） ： 199-208

[3]Carl E. Brown，Merv F. Fingas. Oil Spill Remote Sensing： A Brief Reviewof Airborne and Satellite Sensors[C].Washington.D. C . SPOT Image 1995 User Group Meeting，1995

[4]楊俊，亓洪興，肖功海，等.基于紫外光誘導熒光的溢油監(jiān)測方法研究[J].光電工程，2011，38（5）：92-98.

[5]廖勝，沈忙作.卡塞格倫光學系統(tǒng)的雜光抑制和遮光罩設計[J].光電工程，1997（4）：31-36.

[6]官晟，吳東，張博.海洋激光熒光雷達海面油膜種類鑒別研究[J].青島海洋大學學報自然科學版，2004，32（2）：305-311.

[7]陳澎.機載激光熒光海上溢油信息提取與反演研究[D].大連海事大學，2012.

[8]馮巍巍，王銳，孫培艷，等.幾種典型石油類污染物紫外激光誘導熒光光譜特性研究[J].光譜學與光譜分析，2011，31（5）：1168-1170.

作者簡介：黨晨（1990，06-），男，漢族，西安工業(yè)大學研究生，研究方向：光學。